Im Projekt „MaMBoQ – Macroscopic Behavior of Many-Body Quantum Systems“ – Makroskopisches Verhalten von quantenmechanischen Vielteilchensystemen – widmet sich Marcello Porta der Analyse großer Quantensysteme wechselwirkender Fermionen. Es besteht aus zwei Bereichen: In Teil A untersucht der Wissenschaftler Transporteigenschaften zweidimensionaler Gittersysteme, wie zum Beispiel Graphen, das aus einer zweidimensionalen Schicht aus Kohlenstoffatomen in der Anordnung eines hexagonalen Gitters besteht, oder topologische Isolatoren, die in ihrem Innern Nichtleiter sind, aber den Strom auf der Oberfläche widerstandsfrei leiten. In Teil B will er effektive Entwicklungsgleichungen für fermionische Vielteilchensysteme in geeigneten Skalierungsgrenzen ableiten. In beiden Fällen geht es um die Validierung emergenter effektiver Theorien, also vereinfachter Modelle, die das makroskopische Verhalten komplexer Systeme näherungsweise beschreiben. Verschiedene mikroskopische Systeme können dabei oft durch dieselbe effektive Theorie beschrieben werden, ein Phänomen, das als Universalität bezeichnet wird. Die Validierung effektiver Theorien und ihrer Universalität ausgehend von einem fundamentalen mikroskopischen Modell, hier der Vielteilchenquantenmechanik, mithilfe mathematischer Methoden ist ein zentrales Ziel der Mathematischen Physik.

Graphen und topologische Isolatoren stoßen wegen ihrer bemerkenswerten Eigenschaften bei Physikern und Chemikern auf großes Interesse. Vernachlässigt man die Wechselwirkung unter den Elektronen, so konnten bereits einige Eigenschaften dieser Systeme mathematisch erklärt werden. In echten Proben wechselwirken die Elektronen jedoch und man muss sie als Gesamtheit betrachten. Porta will die Mathematik für diese komplexe Betrachtung weiterentwickeln.

Marcello Porta studierte Physik an der Universität La Sapienza in Rom und wurde dort 2011 promoviert. Als Postdoktorand forschte er an der ETH Zürich, der Universität Bonn und der Universität Zürich, wo er 2016 eine Assistenzprofessur für Mathematik erhielt. Seit Oktober 2017 ist Porta Professor im Fachbereich Mathematik der Universität Tübingen.

In seinem Projekt „COINFLIP – Coupled Organic Inorganic Nanostructures for Fast, Light-Induced Data Processing“ – Gekoppelte organisch-anorganische Nanostrukturen für die schnelle lichtinduzierte Datenverarbeitung – will Marcus Scheele sehr schnelle optische Schalter mit einer Reaktionszeit von wenigen Pikosekunden (billionstel Sekunden) entwickeln, die mit der Siliziumtechnologie kompatibel sind. Dies soll eine sehr schnelle Datenverarbeitung bei geringem Energieaufwand ermöglichen. Für die Schalter nutzt der Wissenschaftler dünne Filme mit hybriden Nanostrukturen, in denen organische und anorganische Stoffe gekoppelt sind. Er beschäftigt sich daher einerseits mit der Chemie anorganischer nanokristalliner Kolloide, fein verteilter Tröpfchen in einem Medium, und andererseits mit organischen Halbleitermolekülen.

Optische Schalter, die also über Lichtstrahlen gesteuert werden, spielen eine entscheidende Rolle bei der modernen Datenverarbeitung in der Siliziumphotonik. Sie kontrollieren die Schnittstelle zwischen optischen Fasern für die Datenübertragung und den elektronischen Verarbeitungseinheiten im Computer. Bisher bildet die Datenübertragung an diesen Schnittstellen eine Schwachstelle: Sie ist langsam im Vergleich mit den anderen Komponenten. Ließe sich die optische Schaltung beschleunigen, wären die Datenverarbeitungssysteme insgesamt schneller und leistungsfähiger.

Marcus Scheele studierte Chemie an der Universität Hamburg und wurde dort 2011 auch promoviert. Als Postdoktorand forschte er an der University of California in Berkeley, USA, und kehrte 2012 als Forschungsassistent nach Hamburg zurück. Seit 2013 ist Scheele Nachwuchsgruppenleiter am Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Tübingen.